CN101515626B - 发光二极管芯片衬底结构的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光二极管芯片衬底结构的制造方法，在蓝宝石衬底表面上镀一层金属层，在该金属层上形成一层光刻胶膜层；应用光刻工艺将光刻胶膜层图形化以形成所期望的图案；应用回流工艺熔化该光刻胶膜层，使该光刻胶膜层形成多个凸包形；应用电感耦合等离子体蚀刻的方法将该光刻胶膜层的多个凸包形轮廓传递到该衬底上，在该衬底上形成多个凸包形微结构。通过在衬底上垫一层金属，可隔离蓝宝石衬底键能对光刻胶的影响，使光刻胶在金属层表面能够回流出更理想的图形，有利于制造出优良的具有微结构图形的衬底，从而减少发光二极管芯片的界面反射及内部吸收，改善外延生长的缺陷，提高芯片发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管芯片衬底结构的制造方法，尤其是指提高芯片发光效率的衬底结构的制造方法。
背景技术
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用.尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点.为了获得高亮度的LED，关键要提高器件的内量子效率和外量子效率.目前，芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，其主要原因是外延材料、衬底材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。
目前已经提出了几种提高芯片光提取效率的方法，主要包括：改变芯片的几何外形，减少光在芯片内部的传播路程，降低光的吸收损耗，如采用倒金字塔结构；控制和改变自发辐射，通常采用谐振腔或光子晶体等结构；采用表面粗糙方法，使光在粗糙的半导体和空气界面发生漫射，增加其投射的机会等。由于发光二极管芯片的衬底对芯片的发光效率有很大的影响，为减少发光二极管芯片的界面反射及内部吸收，可制备具有凸包形微结构的发光二极管芯片衬底，该微结构还可有效改善外延生长的缺陷。
然而在制备该衬底时，由于衬底材料蓝宝石的键能对光刻胶有一定的影响，使得光刻胶往往不能回流出理想的凸包形微结构，导致不能制造出优良的具有微结构图形的衬底，从而阻碍了芯片发光效率的提高。
鉴于此，提供一种新的发光二极管芯片衬底结构的制造方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种发光二极管芯片的衬底结构的制造方法，通过在衬底上垫一层金属，可隔离蓝宝石衬底键能对光刻胶的影响，使光刻胶在金属层表面能够回流出更理想的图形，有利于制造出优良的具有微结构图形的衬底，从而减少发光二极管芯片的界面反射及内部吸收，改善外延生长的缺陷，提高芯片发光效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种发光二极管芯片衬底结构的制造方法，包括以下步骤：
(1) 在衬底上表面上镀一层金属层；
(2) 在所述金属层上形成一层光刻胶膜层；
(3) 应用光刻工艺将光刻胶膜层图形化以形成所期望的图案；
(4) 应用回流工艺熔化该光刻胶膜层，使该光刻胶膜层形成多个凸包形；
(5) 应用刻蚀的方法将该光刻胶膜层的多个凸包形轮廓传递到该衬底上，在该衬底上表面上形成多个凸包形微结构。
在所述的方法步骤(1)中，优选的采用电子束蒸镀或溅射技术在衬底上表面镀金属层。
在所述的方法中，所述刻蚀方法为电感耦合等离子体蚀刻。
在所述的方法中，所述光刻胶膜层图形化形成的所期望的图案为周期性或非周期性排列的棱柱、圆柱、凌锥、圆锥、圆台或棱台；所述衬底表面的凸包形微结构的剖面轮廓线为弧线形。
作为本发明的优选方案之一，所述金属层的厚度为0.1nm～100nm。
作为本发明的优选方案之一，所述金属层的材料优选为钛、镍、铝、铬其中之一。
作为本发明的优选方案之一，所述衬底的材料为蓝宝石。
作为本发明的优选方案之一，所述光刻胶膜层的厚度为0.5um～4um。
作为本发明的优选方案之一，所述回流工艺中烘烤温度为50℃～400℃、时间为0.1分钟～60分钟。
本发明所述的发光二极管芯片衬底结构的制备方法中，通过在衬底上垫一层金属，可隔离蓝宝石衬底键能对光刻胶的影响，光刻胶在金属层表面能够回流出更理想的图形，有利于制造出优良的具有微结构图形的衬底，从而克服了光刻胶直接在衬底表面上回流时无法形成优质的微结构图形的问题。
此外，采用本发明所述方法制备的发光二极管芯片衬底结构，可在衬底上形成优质的凸包形微结构，该微结构可以有效减少光的界面反射，降低光的吸收损耗，有效改善外延生长的缺陷，从而提高了发光二极管的发光效率。
附图说明
图1a-1e是本发明发光二极管芯片衬底结构的制造方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。
实施例一
首先参照图1a所示，利用电子束蒸镀机在蓝宝石衬底10上镀一层金属层20，该金属层20的材料为钛，厚度为0.1nm。在该金属层20上涂敷光刻胶，形成一层光刻胶膜层30，光刻胶膜层30的厚度为0.5um如图1b所示。接着通过光刻工艺将光刻胶在衬底上图形化，形成所期望的图案如图1c所示，该图案为周期性规则排列的圆锥。然后采用平台烘烤光刻胶回流技术使光刻胶膜层30在金属层20上回流，将光刻胶图案形成类似如图1d所示的多个凸包形微结构图案。回流条件如下：烘烤温度为50℃，时间为0.1分钟。之后采用ICP(电感耦合等离子体)蚀刻技术将此种图案转移到蓝宝石上如图1e所示，在蓝宝石衬底10表面形成多个凸包形的微结构11，该微结构11正面为蒙古包形，其剖面轮廓线为圆弧形。
由于通过在蓝宝石衬底10上垫一层金属层20，可隔离蓝宝石衬底10键能对光刻胶30的影响，光刻胶30在金属层20表面能够回流出更理想的图形，制造出了优良的具有微结构图形的衬底，克服了光刻胶直接在衬底表面上回流时无法形成优质的微结构图形的问题。采用所得衬底结构制备的发光二极管芯片，由于制备出了较优质的微结构衬底，减少光的界面反射，降低光的吸收损耗，有效改善外延生长的缺陷，有较高的发光效率。
实施例二
首先参照图1a所示，利用电子束蒸镀机在蓝宝石衬底10上镀一层金属层20，该金属层20的材料为镍，厚度为20nm。在该金属层20上涂敷光刻胶，形成一层光刻胶膜层30，光刻胶膜层30的厚度为2um如图1b所示。接着通过光刻工艺将光刻胶在衬底上图形化，形成所期望的图案如图1c所示，该图案为周期性规则排列的四棱柱。然后采用平台烘烤光刻胶回流技术使光刻胶膜层30在金属层20上回流，将光刻胶图案形成类似如图1d所示的多个凸包形微结构图案。回流条件如下：烘烤温度为200℃，时间为20分钟。之后采用ICP(电感耦合等离子体)蚀刻技术将此种图案转移到蓝宝石上如图1e所示，在蓝宝石衬底10表面形成多个凸包形的微结构11，该微结构11正面为蒙古包形，其剖面轮廓线为弧线形。
由于通过在蓝宝石衬底10上垫一层金属层20，可隔离蓝宝石衬底10键能对光刻胶30的影响，光刻胶30在金属层20表面能够回流出更理想的图形，制造出了优良的具有微结构图形的衬底，克服了光刻胶直接在衬底表面上回流时无法形成优质的微结构图形的问题。采用所得衬底结构制备的发光二极管芯片，由于制备出了较优质的微结构衬底，减少光的界面反射，降低光的吸收损耗，有效改善外延生长的缺陷，有很高的发光效率。
实施例三
首先参照图1a所示，利用电子束蒸镀机在蓝宝石衬底10上镀一层金属层20，该金属层20的材料为铝，厚度为50nm。在该金属层20上涂敷光刻胶，形成一层光刻胶膜层30，光刻胶膜层30的厚度为4um如图1b所示。接着通过光刻工艺将光刻胶在衬底上图形化，形成所期望的图案如图1c所示，该图案为非周期性规则排列的圆台。然后采用平台烘烤光刻胶回流技术使光刻胶膜层30在金属层20上回流，将光刻胶图案形成类似如图1d所示的多个凸包形微结构图案。回流条件如下：烘烤温度为400℃，时间为60分钟。之后采用ICP(电感耦合等离子体)蚀刻技术将此种图案转移到蓝宝石上如图1e所示，在蓝宝石衬底10表面形成多个凸包形的微结构11，该微结构11正面为蒙古包形，其剖面轮廓线为圆弧形。
由于通过在蓝宝石衬底10上垫一层金属层20，可隔离蓝宝石衬底10键能对光刻胶30的影响，光刻胶30在金属层20表面能够回流出更理想的图形，制造出了优良的具有微结构图形的衬底，克服了光刻胶直接在衬底表面上回流时无法形成优质的微结构图形的问题。采用所得衬底结构制备的发光二极管芯片，由于制备出了优质的微结构衬底，减少光的界面反射，降低光的吸收损耗，有效改善了外延生长的缺陷，有极高的发光效率。
实施例四
首先参照图1a所示，利用电子束蒸镀机在蓝宝石衬底10上镀一层金属层20，该金属层20的材料为铬，厚度为100nm。在该金属层20上涂敷光刻胶，形成一层光刻胶膜层30，光刻胶膜层30的厚度为4um如图1b所示。接着通过光刻工艺将光刻胶在衬底上图形化，形成所期望的图案如图1c所示，该图案为非周期性规则排列的四棱锥。然后采用平台烘烤光刻胶回流技术使光刻胶膜层30在金属层20上回流，将光刻胶图案形成类似如图1d所示的多个凸包形微结构图案。回流条件如下：烘烤温度为400℃，时间为60分钟。之后采用ICP(电感耦合等离子体)蚀刻技术将此种图案转移到蓝宝石上如图1e所示，在蓝宝石衬底10表面形成多个凸包形的微结构11，该微结构11正面为蒙古包形，其剖面轮廓线为弧线形。
由于通过在蓝宝石衬底10上垫一层金属层20，可隔离蓝宝石衬底10键能对光刻胶30的影响，光刻胶30在金属层20表面能够回流出更理想的图形，制造出了优良的具有微结构图形的衬底，克服了光刻胶直接在衬底表面上回流时无法形成优质的微结构图形的问题。采用所得衬底结构制备的发光二极管芯片，由于制备出了优质的微结构衬底，减少光的界面反射，降低光的吸收损耗，有效改善外延生长的缺陷，有极高的发光效率。
通过对比实验，从测试数据可以看出，采用本发明所述方法制造的衬底的管芯比采用普通蓝宝石衬底的管芯发光效率平均高36％。
| 回流工艺 | 回流效果 |
| 常规回流工艺 | 表面粗糙的圆台形 |
| 在衬底上垫一层金属的回流工艺 | 表面光滑的凸包形 |
根据本发明的具体实施例，由于通过在蓝宝石衬底上垫一层金属，优选材料为钛、镍、铝、铬，可隔离蓝宝石衬底键能对光刻胶的影响，光刻胶在钛、镍、铝、铬等金属层表面能够回流出更理想的图形，制造出了优良的具有微结构图形的衬底，从而克服了光刻胶直接在衬底表面上回流时无法形成优质的微结构图形的问题。
此外，采用本发明所述方法制备的发光二极管芯片衬底结构，可在衬底上形成优质的凸包形微结构，该微结构可以有效减少光的界面反射，降低光的吸收损耗，有效改善外延生长的缺陷，从而提高了发光二极管的发光效率。
本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
Claims (10)
1.一种发光二极管芯片衬底结构的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在衬底上表面上镀一层金属层；
(2)在所述金属层上形成一层光刻胶膜层；
(3)应用光刻工艺将光刻胶膜层图形化以形成所期望的图案；
(4)应用回流工艺熔化该光刻胶膜层，使该光刻胶膜层形成多个凸包形；
(5)应用刻蚀的方法将该光刻胶膜层的多个凸包形轮廓传递到该衬底上，在该衬底上表面上形成多个凸包形微结构。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片衬底结构的制造方法，其特征在于：所述的步骤(1)中采用电子束蒸镀或溅射技术在衬底上表面镀金属层。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片衬底结构的制造方法，其特征在于：所述金属层厚度为0.1nm～100nm。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片衬底结构的制造方法，其特征在于：所述金属层选用材料为钛、镍、铝、铬其中之一。
5.根据权利要求1所述的发光二极管芯片衬底结构的制造方法，其特征在于：光刻胶膜层图形化形成的所期望的图案为周期性或非周期性排列的棱柱、圆柱、凌锥、圆锥、圆台或棱台。
6.根据权利要求1所述的发光二极管芯片衬底结构的制造方法，其特征在于：所述刻蚀方法为电感耦合等离子体蚀刻。
7.根据权利要求1所述的发光二极管芯片衬底结构的制造方法，其特征在于：所述衬底上表面的凸包形微结构的剖面轮廓线为弧线形。
8.根据权利要求1所述的发光二极管芯片衬底结构的制造方法，其特征在于：所述衬底的材料为蓝宝石。
9.根据权利要求1所述的发光二极管芯片衬底结构的制造方法，其特征在于：所述光刻胶膜层的厚度为0.5um～4um。
10.根据权利要求1所述的发光二极管芯片衬底结构的制造方法，其特征在于：所述回流工艺中烘烤温度为50℃～400℃、时间为0.1分钟～60分钟。
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